新型跳频多址接入系统及其在智能电网中的应用

摘要

跳频是一种扩频通信技术(FHSS)，频点的随机跳变使得整个系统工作在较宽频带内;跳频也可以作为一种码分多址接入方式(FH-CDMA或FHMA)，多个用户按照预先分配的跳频序列共享这个频带。跳频系统具有抵抗干扰、抵抗多径衰落和多址接入能力强等优点。基于这些优点，跳频系统可以方便地与现有通信系统相结合，实现高保密性、较好通信性能的混合通信系统。设计适合未来高速无线通信需求的跳频多址接入系统是本文研究重点之一。多用户干扰(MAI)是影响码分多址系统性能的主要因素，如何消除多用户干扰并提高跳频系统误码率性能是本文研究另一重点。最后，本文将传统的跳频技术应用于一类新型的能源网络——智能电网，设计出适合智能电网通信需求的跳频通信网络结构和跳频序列。
　　在高速无线通信系统中，以OFDM为代表的多载波技术能有效地抵抗信道衰落和符号间干扰。基于OFDM和FH两种通信技术的优势，本文提出一种新型的跳频多址接入方式——OFDM-FHMA通信系统。为了降低频带占用宽度并提高误码率性能，该混合通信系统采用相位调制(PSK)和相干解调方式。另外，为进一步消除多径衰落对系统的影响，在OFDM-FHMA系统中设计了分集发送方式和合并接收机。对OFDM-FHMA的研究主要分成三个部分:第一部分，研究随机跳频方式下同步接入OFDM-FHMA系统在AWGN信道和平坦Rayleigh慢衰落信道时的理论误码率性能;建立误码率与跳频频点个数、用户数、分集级数和信道等参数之间的数值关系。这部分研究对OFDM-FHMA系统的设计具有普遍的指导意义。第二部分，由于在跳频频点的随机跳动，很难保证系统接收端完全实现相位相干解调，不可避免地会产生相位误差。因此，进而研究相位误差对部分相干OFDM-FHMA系统性能的影响，并提出采用最大比值合并接收(MRC)方法减少相位误差对系统性能影响。最后，研究准同步接入方式的OFDM-FHMA通信系统误码率性能。为了降低多用户干扰，提出将一类新型的无碰撞区(NHZ)跳频序列应用于该系统。通过仿真分析给出三种典型跳频序列——完全随机跳频方式、NHZ序列和RS码，在不同接入时延下的误码率性能。通过这三个部分的研究，比较全面地解决了基于相位调制OFDM-FHMA系统的一系列问题。
　　目前，大多数对跳频系统性能的理论研究均采用完全随机跳频方式。然而，采用随机跳频方式的FHMA系统的多址干扰(MAI)完全受到跳频频点集合大小限制，只有增加跳频频点个数才能从根本上提高系统性能。在无线通信系统中无限地增加频点个数是不现实的，因此采用具有较好汉明相关特性的伪随机跳频序列是提高系统性能最有效的方法之一。本文在准同步接入的频率调制跳频多址接入系统(FSK/FHMA)中采用无碰撞区跳频序列(NHZ)。着重分析了特定NHZ跳频序列在无碰撞区内和略超过无碰撞区时多用户干扰模型，并给出MFSK/FHMA-NHZ系统判决变量表达式。采用特征函数方法推导了基于NHZ跳频序列的准同步接入BFSK/FHMA系统误码率性能。本文结论充分体现了相对接入时延、跳频序列汉明互相关特性和系统误码率之间的数值关系。
　　智能电网是下一代电力传输网络的发展方向。它通过融合当今先进的传感器技术、控制理论和无线通信技术，以提高现有电网中电能使用率，减小断电率并使其具有自动检测等功能。智能电网中通信网络的安全性和多级QoS传输保障是两大主要问题。基于跳频技术安全性高等优势，本文设计出基于跳频技术的智能电网无线通信物理层结构，并从通信需求、数据传输方式、序列构造、系统性能分析等方面系统地阐述了该新型通信网络结构。首先，根据智能电网中有用信息的产生特点，提出了一种传输效率高、频带占用少的智能电网数据发送模型。通过对电能消耗的实地测量，该数据发送模型可以近似建模为Poisson过程。另外，为实现智能电网中多级QoS要求，本文提出一种具有多级汉明互相关值的新型跳频序列，并基于NHZ序列的构造思路给出一类具有两级汉明互相关值的跳频序列构造算法。基于该新型跳频序列和数据模型，推导了采用BFSK调制时智能电网跳频通信网络的误码率性能。为了简化计算复杂度，利用平均碰撞概率近似伪随机跳频序列的实际碰撞概率。通过数值计算与仿真分析可以看出，该新型跳频系统可以为用户提供多级的误码率性能，即实现了智能电网通信系统多级QoS传输要求;同时也证实了本文提出的跳频技术通信网络与智能电网能够平滑融合。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究目的与意义

1．1．1 宽带跳频多址接入系统设计

1．1．2 新型准同步跳频多址接入系统

1．1．3 智能电网中的通信技术

1．2 本课题的研究现状与进展

1．2．1 基于随机跳频方式的跳频系统性能研究现状

1．2．2 基于NHZ序列的准同步跳频系统初步研究

1．2．3 基于OFDM技术的跳频多址接入系统研究现状

1．2．4 智能电网中通信技术的研究现状

1．3 本文的主要贡献与研究思路

1．4 论文内容的组织结构

第2章 跳频通信系统与智能电网通信网络的相关知识

2．1 跳频扩频通信系统

2．2 跳频序列及其汉明相关特性

2．2．1 跳频序列在跳频系统中的作用

2．2．2 跳频序列的汉明相关性

2．2．3 一般跳频序列集的理论界限

2．2．4 新型广义正交跳频序列——NHZ／LHZ序列

2．2．5 FHMA系统性能分析中几种常见的跳频序列

2．3 基于OFDM技术的跳频多址接入系统

2．3．1 多载波OFDM系统

2．3．2 基于OFDM调制的跳频多址接入系统

2．3．3 两种基于OFDM技术的跳频系统的简介

2．4 智能电网及智能电网中的通信网络

2．4．1 智能电网简介

2．4．2 智能电网与通信网络的融合

2．5 本章小结

第3章 基于相位调制的同步OFDM-FHMA系统

3．1 多载波OFDM系统信号分析

3．2 基于PSK调制的OFDM-FHMA通信系统与信号分析

3．2．1 PSK-OFDM-FHMA系统模型设计

3．2．2 PSK-OFDM-FHMA系统信号分析

3．3 AWGN信道下系统误码率性能的研究

3．4 平坦Rayleigh慢衰落信道下系统误码率性能的研究

3．4．1 Rayleigh信道模型

3．4．2 Rayleigh衰落信道时系统误码率性能

3．5 采用QPSK调制的系统误码率性能

3．6 仿真分析与讨论

3．7 本章小结

第4章 相位误差对部分相干OFDM-FHMA系统的影响

4．1 锁相环电路产生的稳态相位误差

4．2 部分相干OFDM-FHMA系统模型与信号分析

4．3 部分相干OFDM-FHMA分集接收系统性能分析

4．3．1 基于Beaulieu级数展开方法的误码率求解

4．3．2 特征函数ΦZ(nw)的求解及误码率表达式的化简

4．4 仿真分析与讨论

4．5 本章小结

第5章 基于无碰撞区跳频序列的准同步OFDM-FHMA系统性能分析

5．1 准同步OFDM-FHMA系统信号分析

5．2 准同步OFDM-FHMA系统误码性能分析

5．2．1 AWGN信道下系统误码率

5．2．2 平坦Rayleigh慢衰落信道下系统误码率

5．3 仿真结论与分析

5．4 本章小结

第6章 基于无碰撞区跳频序列的准同步FSK／FHMA通信系统

6．1 基于NHZ序列的跳频系统的相关研究与结论

6．2 NHZ跳频序列的实例及其汉明相关特性

6．3 MFSK／FHMA-NHZ系统模型与多用户干扰模型

6．3．1 MFSK／FHMA-NHZ系统的信号分析

6．3．2 基于NHZ跳频序列的跳频多址干扰分析

6．4 BFSK／FHMA-NHZ系统的理论误码率研究

6．5 仿真分析与讨论

6．6 本章小结

第7章 具有多级QoS的FHMA通信系统及其在智能电网中的应用

7．1 智能电网对通信的需求

7．2 传统跳频系统与新型多级QoS跳频系统

7．3 具有两级QoS的新型跳频序列

7．3．1 具有两级QoS跳频序列集的构造算法

7．3．2 汉明相关特性分析与实例

7．4 基于跳频技术的智能电网通信结构

7．4．1 基于跳频的智能电网通信网络模型

7．4．2 智能电网的数据传输方式

7．4．3 实际电网中的数据测试与数据建模

7．4．4 FH-CDMA技术与智能电网的融合以及仿真结论

7．5 基于两级QoS跳频技术的智能电网通信系统性能研究

7．5．1 MFSK调制下的信号分析与判决变量推导

7．5．2 BFSK调制下理论误码率分析

7．5．3 仿真与数值结论

7．6 本章小结

第8章 结论和展望

8．1 本文总结

8．2 今后工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及参加的科研项目